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JP7629409B2 - Systems and methods for producing carbon nanotubes - Patents.com - Google Patents
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JP7629409B2 - Systems and methods for producing carbon nanotubes - Patents.com - Google Patents

Systems and methods for producing carbon nanotubes - Patents.com Download PDF

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Description

関連出願との関係
本出願は、2019年4月3日に出願された米国特許仮出願第62/828,981号明細書の優先権を主張し、その内容は全部、引用により本明細書に編入する。
RELATIONSHIP TO RELATED APPLICATIONS This application claims priority to U.S. Provisional Patent Application No. 62/828,981, filed April 3, 2019, the entire contents of which are incorporated herein by reference.

連邦政府により資金提供された研究開発に関する表明
なし
STATEMENT REGARDING FEDERALLY SPONSORED RESEARCH OR DEVELOPMENT: None

分野
本開示は一般に、フレアガスおよび他のガス状炭素含有源からカーボンナノチューブを製造するためのシステムおよび方法に関する。
FIELD This disclosure relates generally to systems and methods for producing carbon nanotubes from flare gases and other gaseous carbon-containing sources.

背景
カーボンナノチューブを形成するための現在の方法は、反応してカーボンナノチューブと水素を形成する炭素質源として高価な市販級の天然ガス(主にメタンおよび幾らかのエタン、ブタンおよびプロパン)に依存している。石油-ガス採取、製油所、化学プラント、石炭産業および埋め立て地のような廉価な炭素質源から採取し、そしてカーボンナノチューブのようなより高価な製品および水素ガスに転換するシステムおよびプロセスを有することが有利になる。
2. Background Current methods for forming carbon nanotubes rely on expensive commercial grade natural gas (mainly methane and some ethane, butane and propane) as a carbonaceous source that reacts to form carbon nanotubes and hydrogen. It would be advantageous to have a system and process that takes cheap carbonaceous sources such as oil-gas extraction, refineries, chemical plants, coal mining and landfills and converts them into more expensive products such as carbon nanotubes and hydrogen gas.

カーボンナノチューブの製造用のCVDシステムの概略図を具体的に説明する。1 illustrates a schematic diagram of a CVD system for the production of carbon nanotubes. 図1Aで具体的に説明したCVDシステムと関連して使用するためのインジェクター装置の概略図を具体的に説明する。FIG. 1B illustrates a schematic diagram of an injector apparatus for use in conjunction with the CVD system illustrated in FIG. 1A.

本開示の少なくとも1つの態様を詳細に説明する前に、本開示はその応用が以下の記載で説明される構成要素または工程または方法論の構成および配置の詳細に限定されないと理解される。本開示は他の態様が可能であり、すなわち様々な方法で実施または行われることができる。また本明細書で使用される語法および用語法は説明を目的とし、そして限定するものと見なすべきではないと理解される。 Before describing at least one embodiment of the present disclosure in detail, it is to be understood that the disclosure is not limited in its application to the details of the construction and arrangement of the components or steps or methodology set forth in the following description. The disclosure is capable of other embodiments, i.e., of being practiced or carried out in various ways. Also, it is to be understood that the phraseology and terminology used herein is for the purpose of description and should not be regarded as limiting.

本明細書で別段の定めがない限り、本開示と関連して使用される技術用語は当業者により一般的に理解されている意味を有するものである。さらに文脈により別の解釈を必要とするものでない限り、単数形は複数形を含み、そして複数形は単数形を含む。 Unless otherwise specified herein, technical terms used in connection with this disclosure shall have the meanings commonly understood by those of ordinary skill in the art. Further, unless the context otherwise requires, the singular includes the plural and the plural includes the singular.

本明細書で言及する全ての特許、公開された特許出願、および非特許刊行物は、本開示が関係する技術分野の当業者の技術水準を示す。本出願の任意の部分で引用される全ての特許、公開された特許出願、および非特許刊行物は、各個別の特許または刊行物が個別具体的に引用により編入されているように、そしてそれらが本開示と矛盾しない程度と同じ程度までそれら全部を引用により明白に本明細書に編入する。 All patents, published patent applications, and non-patent publications mentioned in this specification are indicative of the level of skill of those skilled in the art to which this disclosure pertains. All patents, published patent applications, and non-patent publications cited in any part of this application are expressly incorporated by reference in their entirety to the same extent as if each individual patent or publication was individually and specifically incorporated by reference and to the same extent that they do not contradict this disclosure.

本明細書に開示するすべての組成物および/または方法は、本開示に照らして必要以上の実験を行わずに作成でき、そして実施できる。本開示の組成物および方法は態様または好適な態様という意味で記載したが、当業者には本開示の概念、精神、および範囲から逸脱せずに本明細書に記載する組成物および/または方法に、そして方法の工程または工程の順序に変更を適用できることが明白である。そのような当業者には明白なすべての類似する置き換えおよび修飾は、本開示の精神、範囲および概念の中にあると見なされる。 All of the compositions and/or methods disclosed herein can be made and executed without undue experimentation in light of the present disclosure. While the compositions and methods of the present disclosure have been described in terms of embodiments or preferred embodiments, it will be apparent to one of ordinary skill in the art that changes can be applied to the compositions and/or methods described herein, and to the steps or sequence of steps of the methods, without departing from the concept, spirit, and scope of the present disclosure. All such similar substitutions and modifications apparent to those of ordinary skill in the art are deemed to be within the spirit, scope, and concept of the present disclosure.

カーボンナノチューブに関する本明細書の任意の態様は、本開示の精神および範囲内で、例えば無機またはミネラルナノチューブを含む他の管状ナノ構造に置き換えるために改変することもできる。無機またはミネラルナノチューブには、例えばシリコンナノチューブ、ホウ素ナノチューブおよびナノチューブ構造内にヘテロ原子置換を有するカーボンナノチューブを含む。 Any aspect herein relating to carbon nanotubes may also be modified within the spirit and scope of the present disclosure to substitute other tubular nanostructures, including, for example, inorganic or mineral nanotubes. Inorganic or mineral nanotubes include, for example, silicon nanotubes, boron nanotubes, and carbon nanotubes with heteroatom substitutions within the nanotube structure.

本開示に従い使用されるように、以下の用語は別段の定めがない限り、以下の意味を有すると理解すべきである。 As used in accordance with this disclosure, the following terms, unless otherwise specified, shall be understood to have the following meanings:

用語“a”または“an”の使用は、用語「含んでなる(comprising)」、「含む(including)」、「有する(having)」または「含む(containing)」(またはそのような用語の派生形)と関連して使用する場合、「1つ」を意味するものだが、これはまた「1もしくは複数」、「少なくとも1つ」および「1または1より多く」という意味とも合致する。 The use of the terms "a" or "an", when used in connection with the terms "comprising", "including", "having" or "containing" (or variations of such terms), means "one", but is also consistent with the meanings of "one or more", "at least one" and "one or more than one".

用語「または」の使用は、もっぱら代替物を明らかに示し、そして代替物が相互に排他的である場合のみを除き、「および/または」を意味するために使用する。 The use of the term "or" is used to mean "and/or" only when alternatives are clearly indicated and only when the alternatives are mutually exclusive.

本開示を通して用語「約」は、値が定量する装置、メカニズムまたは方法の誤差の固有の変動、あるいは測定される対象(1もしくは複数)間に存在する固有の変動を含むことを示す。例えば限定するわけではないが、用語「約」を使用する場合、それが指す表示した値は、プラスまたはマイナス10パーセント、または9パーセント、または8パーセント、または7パーセント、または6パーセント、または5パーセント、または4パーセント、または3パーセント、または2パーセントまたは1パーセントまで、あるいはそれらの間の1もしくは複数の画分で変動してよい。 Throughout this disclosure, the term "about" indicates that a value includes the inherent variation of error of the device, mechanism, or method of determining, or the inherent variation that exists between the subject(s) being measured. For example, and not by way of limitation, when the term "about" is used, the indicated value to which it refers may vary by plus or minus 10 percent, or 9 percent, or 8 percent, or 7 percent, or 6 percent, or 5 percent, or 4 percent, or 3 percent, or 2 percent, or 1 percent, or one or more fractions therebetween.

「少なくとも1つ」の使用は、1ならびに限定するわけではないが1,2,3,4,5,10,15,20,30,40,50,100等を含む1より多くの任意の量を含むと理解されるものである。用語「少なくとも1つ」は、それが指す用語に依存して最高100または1000またはそれより多くに拡張することができる。さらに100/1000の量は、より低い、またはより高い限界も満足な結果を生じる可能性があるので、限定と考えるものではない。 The use of "at least one" is understood to include 1 as well as any amount greater than 1, including but not limited to 1, 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 30, 40, 50, 100, etc. The term "at least one" can extend up to 100 or 1000 or more depending on the term to which it refers. Furthermore, the amount of 100/1000 is not to be considered limiting, as lower or higher limits may also produce satisfactory results.

加えて「X、YおよびZの少なくとも1つ」という句は、X単独、Y単独、およびZ単独、ならびにX,YおよびZの任意の組み合わせを含むと理解されるものである。同様に「XおよびYの少なくとも1つ」とは、X単独、Y単独、ならびにXおよびYの任意の組み合わせを含むと理解されるものである。さらに「少なくとも1つ」という句は、任意の数の構成要素を用いて使用でき、そして前記と同様の意味を有することができる。 Additionally, the phrase "at least one of X, Y, and Z" is understood to include X alone, Y alone, and Z alone, as well as any combination of X, Y, and Z. Similarly, "at least one of X and Y" is understood to include X alone, Y alone, and any combination of X and Y. Additionally, the phrase "at least one" can be used with any number of components and can have the same meaning as above.

序数の用語法(すなわち第1,第2、第3、第4等)の使用は、単に2以上の項目間を区別する目的であり、そして他に言及しない場合には別の項目または追加の順序に対して1つの項目の配列、順番または重要性を付加することを意味していない。 The use of ordinal terminology (i.e., first, second, third, fourth, etc.) is solely for the purpose of distinguishing between two or more items and does not imply any ordering, sequence or importance of one item relative to another or additional ordering unless otherwise stated.

本明細書で使用する場合、用語「含んでなる(comprising)」(およびその任意の形、例えば“comprise”および“comprises”)、「有する(having)」(およびその任意の形、例えば“have”および“has”)、「含む(including)」(およびその任意の形、例えば“includes”および“include”)または「含む(containing)」(およびその任意の形、例えば“contains”および“contain”)は、包含的、すなわちオープンエンドであり、追加の非言及要素または方法工程を排除しない。 As used herein, the terms "comprising" (and any of its forms, e.g., "comprise" and "comprises"), "having" (and any of its forms, e.g., "have" and "has"), "including" (and any of its forms, e.g., "includes" and "include"), or "containing" (and any of its forms, e.g., "contains" and "contain") are inclusive, i.e., open-ended, and do not exclude additional, unreferenced elements or method steps.

本明細書で使用する句「またはそれらの組み合わせ」および「およびそれらの組み合わせ」は、用語に先行する列挙した項目の全ての並べ替え(permutations)および組み合わせ(combinations)を指す。例えば「A,B,Cまたはそれらの組み合わせ」は:A,B,C,AB,AC,BC,またはABCの少なくとも1つを含むことを意図し、そして特定の文脈で順序が重要ならばBA,CA,CB,CBA,BCA,ACB,BACまたはCABの少なくとも1つを含むことを意図する。この例に続いて明確に含まれるのは、1もしくは複数の項目または用語の反復を含む組み合わせ、例えばBB,AAA,CC,AABB,AACC,ABCCCC,CBBAAA,CABBB等である。当業者は文脈から明らかにそうでない場合を除き、一般に任意の組み合わせの中の項目および用語の数に制限はないと理解するだろう。同じ考え方で、用語「またはそれらの組み合わせ」および「およびそれらの組み合わせ」は、句「から選択される」または「からなる群から選択される」と一緒に使用される場合、その句に先行する列挙した項目の全ての並び替えおよび組み合わせを指す。 As used herein, the phrases "or combinations thereof" and "and combinations thereof" refer to all permutations and combinations of the listed items preceding the term. For example, "A, B, C or combinations thereof" is intended to include at least one of: A, B, C, AB, AC, BC, or ABC, and, if order is important in the particular context, at least one of BA, CA, CB, CBA, BCA, ACB, BAC, or CAB. Expressly included following this example are combinations that include repetition of one or more items or terms, such as BB, AAA, CC, AABB, AACC, ABCCCC, CBBAAA, CABBB, etc. One of skill in the art will understand that there is generally no limit to the number of items and terms in any combination unless the context clearly indicates otherwise. In the same spirit, the terms "or combinations thereof" and "and combinations thereof," when used in conjunction with the phrase "selected from" or "selected from the group consisting of," refer to all permutations and combinations of the listed items preceding the phrase.

「1つの態様において」、「態様では」、「1つの態様によれば」等の句は、一般にその句に続く特定の機能、構造または特徴が本開示の少なくとも1つの態様に含まれることを意味し、そして本開示の1より多くの態様に含まれ得ることを意味する。重要なことは、そのような句は非限定的であり、そして同じ態様を必ずしも指していないが、もちろん1もしくは複数の先行する、および/または後述する態様を指すことができる。例えば添付の請求の範囲では、任意の請求する態様を任意の組み合わせで使用することができる。 Phrases such as "in one embodiment," "in an embodiment," "according to one embodiment," and the like generally mean that the particular feature, structure, or characteristic that follows the phrase is included in at least one embodiment of the disclosure, and may be included in more than one embodiment of the disclosure. Importantly, such phrases are open-ended and do not necessarily refer to the same embodiment, but of course can refer to one or more preceding and/or following embodiments. For example, in the appended claims, any of the claimed embodiments may be used in any combination.

本明細書で使用するように、用語「重量%」、「wt%」、「重量パーセント」または「重量による割合」は互換的に使用する。 As used herein, the terms "wt. %, "wt. %, "weight percent" or "percent by weight" are used interchangeably.

本明細書で使用する用語「フレアガス」は、石油-ガス生産中に、または製油所、化学プラント、石炭産業および埋め立て地での操作から生産され、通常は燃やされる(burned)か、または燃え上がらせる(flared)ガスの混合物を指す。フレアガスの組成はその供給源に依存するが、1もしくは複数の以下の炭素質ガスを含んでなる可能性がある:メタン、エタン、プロパン、n-ブタン、イソブタン、n-ペンタン、イソペンタン、ネオ-ペンタン、n-ヘキサン、エチレン、プロピレン、および1-ブテン、ならびに一酸化炭素、二酸化炭素、硫化水素、二硫化水素、水素、酸素、窒素および水のような1もしくは複数の他の成分。石油-ガス生産現場からのフレアガスは、90%より多いメタンを含んでなる主に天然ガスを含む。 As used herein, the term "flare gas" refers to a mixture of gases that is typically burned or flared during oil-gas production or from operations in refineries, chemical plants, coal mining, and landfills. The composition of flare gas depends on its source, but may comprise one or more of the following carbonaceous gases: methane, ethane, propane, n-butane, isobutane, n-pentane, isopentane, neo-pentane, n-hexane, ethylene, propylene, and 1-butene, as well as one or more other components such as carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen sulfide, hydrogen disulfide, hydrogen, oxygen, nitrogen, and water. Flare gas from oil-gas production sites contains primarily natural gas, with more than 90% methane.

本明細書で使用するように、「カーボンナノチューブ」は約1nm未満から約20nmの直径、および1mmから5mmの長さを有する単層、二層および/または多層カーボンナノチューブを称するために使用される。 As used herein, "carbon nanotubes" is used to refer to single-walled, double-walled and/or multi-walled carbon nanotubes having diameters of less than about 1 nm to about 20 nm and lengths of 1 mm to 5 mm.

本明細書で使用する「カーボンナノチューブファイバー」とは、0.1から10ミクロンの範囲の直径、および約150mmから約500mmの長さを有する構造を形成するような相互に連結された多数のカーボンナノチューブを含んでなるステープルファイバーを称する。 As used herein, "carbon nanotube fiber" refers to a staple fiber comprising a number of carbon nanotubes interconnected to form a structure having a diameter in the range of 0.1 to 10 microns and a length of about 150 mm to about 500 mm.

本明細書で使用する「短いカーボンナノチューブファイバー」とは、わずか約1mmから約50mmの長さを有するカーボンナノチューブファイバーを称する。 As used herein, "short carbon nanotube fibers" refers to carbon nanotube fibers having a length of only about 1 mm to about 50 mm.

1つの観点では、本開示は:(i)炭素質ガス、触媒および水素を反応槽に導入し、ここで反応槽は(触媒の存在下で)炭素質ガスを炭素および水素を含む炭素質ガスの構成原子に分解するために十分な温度であり、そして(ii)炭素質ガスの炭素原子を触媒と相互作用させてカーボンナノチューブを生成する工程を含んでなるカーボンナノチューブの製造法を対象とする。 In one aspect, the disclosure is directed to a method for producing carbon nanotubes comprising: (i) introducing a carbonaceous gas, a catalyst, and hydrogen into a reaction vessel, where the reaction vessel (in the presence of the catalyst) is at a temperature sufficient to decompose the carbonaceous gas into constituent atoms of the carbonaceous gas, including carbon and hydrogen, and (ii) interacting carbon atoms of the carbonaceous gas with the catalyst to produce carbon nanotubes.

別の観点では、本開示は:炭素質源を含んでなるフレアガスを得;フレアガスを処理し;フレアガス、触媒および水素を反応槽に導入し、ここで反応槽は(触媒の存在下で)炭素質ガスを炭素および水素を含む炭素質ガスの構成原子に分解するために十分な温度であり;炭素質ガスの炭素原子を触媒と相互作用させてカーボンナノチューブを生成し;そしてカーボンナノチューブを回収する工程を含んでなるカーボンナノチューブの製造法を対象とする。 In another aspect, the disclosure is directed to a method for producing carbon nanotubes comprising the steps of: obtaining a flare gas comprising a carbonaceous source; processing the flare gas; introducing the flare gas, a catalyst, and hydrogen into a reaction vessel, where the reaction vessel (in the presence of the catalyst) is at a temperature sufficient to decompose the carbonaceous gas into constituent atoms of the carbonaceous gas, including carbon and hydrogen; interacting carbon atoms of the carbonaceous gas with the catalyst to produce carbon nanotubes; and recovering the carbon nanotubes.

フレアガスは、石油またはガス生産現場、製油所、化学プラント、石炭プラント、または埋め立て地から得ることができる。1つの態様では、カーボンナノチューブを製造するために使用するシステムは、石油またはガス生産現場、製油所、化学プラント、石炭プラント、または埋め立て地の現場なので、フレアガスはその供給源から直接得ることができ、そして反応槽へ導入される前に処理されることができる。 The flare gas can be obtained from an oil or gas production site, a refinery, a chemical plant, a coal plant, or a landfill. In one embodiment, the system used to produce carbon nanotubes is an on-site oil or gas production site, a refinery, a chemical plant, a coal plant, or a landfill, so that the flare gas can be obtained directly from the source and treated prior to being introduced into the reactor.

フレアガスを処理する工程は、フレアガスを、過剰な硫化水素、二硫化水素、二酸化炭素および/または一酸化炭素をそこから除去するための1もしくは複数のプロセスに供することを含んでなる。本明細書で使用する「過剰」とは、フレアガスがサワーガスと考えられるようになり、そしてカーボンナノチューブを生産する能力に有害な影響を有するに十分な量を意味する。 The step of treating the flare gas comprises subjecting the flare gas to one or more processes for removing excess hydrogen sulfide, hydrogen disulfide, carbon dioxide and/or carbon monoxide therefrom. As used herein, "excess" means an amount sufficient to cause the flare gas to be considered sour gas and to have a detrimental effect on the ability to produce carbon nanotubes.

1つの態様では、過剰な硫化水素とはフレアガスの総重量の50重量%より高い量、または40重量%より高い量、または30重量%より高い量、または20重量%より高い量、または10重量%より高い量、または5重量%より高い量、または1重量%より高い量、または0.1重量%より高い量を意味する。 In one embodiment, excess hydrogen sulfide means greater than 50% by weight of the total weight of the flare gas, or greater than 40% by weight, or greater than 30% by weight, or greater than 20% by weight, or greater than 10% by weight, or greater than 5% by weight, or greater than 1% by weight, or greater than 0.1% by weight.

1つの態様では、過剰な二酸化炭素とはフレアガスの総重量の50重量%より高い量、または40重量%より高い量、または30重量%より高い量、または20重量%より高い量、または10重量%より高い量、または5重量%より高い量、または1重量%より高い量、または0.1重量%より高い量を意味する。 In one embodiment, excess carbon dioxide means greater than 50% by weight of the total weight of the flare gas, or greater than 40% by weight, or greater than 30% by weight, or greater than 20% by weight, or greater than 10% by weight, or greater than 5% by weight, or greater than 1% by weight, or greater than 0.1% by weight.

1つの態様では、過剰な一酸化炭素とはフレアガスの総重量の50重量%より高い量、または40重量%より高い量、または30重量%より高い量、または20重量%より高い量、または10重量%より高い量、または5重量%より高い量、または1重量%より高い量、または0.1重量%より高い量を意味する In one embodiment, excess carbon monoxide means greater than 50% by weight of the total weight of the flare gas, or greater than 40% by weight, or greater than 30% by weight, or greater than 20% by weight, or greater than 10% by weight, or greater than 5% by weight, or greater than 1% by weight, or greater than 0.1% by weight.

1つの態様では、過剰な二硫化水素とはフレアガスの総重量の50重量%より高い量、または40重量%より高い量、または30重量%より高い量、または20重量%より高い量、または10重量%より高い量、または5重量%より高い量、または1重量%より高い量、または0.1重量%より高い量を意味する。 In one embodiment, excess hydrogen disulfide means greater than 50% by weight of the total weight of the flare gas, or greater than 40% by weight, or greater than 30% by weight, or greater than 20% by weight, or greater than 10% by weight, or greater than 5% by weight, or greater than 1% by weight, or greater than 0.1% by weight.

1つの特定の態様では、処理したフレアガスは、(i)硫化水素をフレアガスの総重量の50重量%より低い量、または40重量%より低い量、または30重量%より低い量、または20重量%より低い量、または10重量%より低い量、または5重量%より低い量、または1重量%より低い量、または0.1重量%より低い量で、(ii)二酸化炭素をフレアガスの総重量の50重量%より低い量、または40重量%より低い量、または30重量%より低い量、または20重量%より低い量、または10重量%より低い量、または5重量%より低い量、または1重量%より低い量、または0.1重量%より低い量で、(iii)一酸化炭素をフレアガスの総重量の50重量%より低い量、または40重量%より低い量、または30重量%より低い量、または20重量%より低い量、または10重量%より低い量、または5重量%より低い量、または1重量%より低い量、または0.1重量%より低い量で、および/または(iv)二硫化水素をフレアガスの総重量の50重量%より低い量、または40重量%より低い量、または30重量%より低い量、または20重量%より低い量、または10重量%より低い量、または5重量%より低い量、または1重量%より低い量、または0.1重量%より低い量で含む。 In one particular embodiment, the treated flare gas contains (i) hydrogen sulfide in an amount of less than 50% by weight, or less than 40% by weight, or less than 30% by weight, or less than 20% by weight, or less than 10% by weight, or less than 5% by weight, or less than 1% by weight, or less than 0.1% by weight of the total weight of the flare gas; and (ii) carbon dioxide in an amount of less than 50% by weight, or less than 40% by weight, or less than 30% by weight, or less than 20% by weight, or less than 10% by weight, or less than 5% by weight, or less than 1% by weight, or less than 0.1% by weight of the total weight of the flare gas. (iii) carbon monoxide in an amount of less than 50% by weight, or less than 40% by weight, or less than 30% by weight, or less than 20% by weight, or less than 10% by weight, or less than 5% by weight, or less than 1% by weight, or less than 0.1% by weight of the total weight of the flare gas; and/or (iv) hydrogen disulfide in an amount of less than 50% by weight, or less than 40% by weight, or less than 30% by weight, or less than 20% by weight, or less than 10% by weight, or less than 5% by weight, or less than 1% by weight, or less than 0.1% by weight of the total weight of the flare gas.

フレアガスを処理する工程が、(i)硫化水素の少なくとも一部を硫黄に電気化学的に還元し、その後それを除去すること、および(ii)二硫化水素の少なくとも一部を硫酸に酸化し、そして除去することの少なくとも1つを含んでことができる。 The step of treating the flare gas may include at least one of: (i) electrochemically reducing at least a portion of the hydrogen sulfide to sulfur and then removing it; and (ii) oxidizing at least a portion of the hydrogen disulfide to sulfuric acid and then removing it.

フレアガスを処理する工程が、別法で、または追加で一酸化炭素および/または二酸化炭素の少なくとも一部がフレアガスから除かれる(scrubbed)プロセスまたはシステムを含むことができる。1つの態様では、一酸化炭素および/または二酸化炭素の一部は、一酸化炭素および/または二酸化炭素の一部が溶媒に吸収されるように、フレアガスを例えば限定するわけではないが、アミン溶媒を含む溶媒と接触させることによりフレアガスから除かれることができる。しかし当業者はフレアガスから二酸化炭素および/または一酸化炭素を除くための他のプロセスも存在でき、そして本開示の範囲内にあると認識するだろう。 The step of treating the flare gas may alternatively or additionally include a process or system in which at least a portion of the carbon monoxide and/or carbon dioxide is scrubbed from the flare gas. In one embodiment, a portion of the carbon monoxide and/or carbon dioxide may be scrubbed from the flare gas by contacting the flare gas with a solvent, including, for example and without limitation, an amine solvent, such that a portion of the carbon monoxide and/or carbon dioxide is absorbed into the solvent. However, one skilled in the art will recognize that other processes for removing carbon dioxide and/or carbon monoxide from the flare gas may exist and are within the scope of the present disclosure.

反応槽の温度は周囲圧で800℃から1400℃より高く、または800(Cから1500℃、または900℃から1400℃、または1000℃から1400℃、または1100℃から1300℃の範囲、または約1200℃であることができる。 The temperature of the reactor can range from 800°C to greater than 1400°C, or from 800(C to 1500°C, or from 900°C to 1400°C, or from 1000°C to 1400°C, or from 1100°C to 1300°C, or about 1200°C at ambient pressure.

1つの態様では、反応槽中の炭素質ガスの一部はカーボンナノチューブを形成するための触媒と相互作用しない。炭素質ガスのこの一部は、次いで分離され、そして反応槽から取り出され、そして任意に天然ガスまたは処理済もしくは未処理フレアガスの追加量と共に第2反応槽に送られる。 In one embodiment, a portion of the carbonaceous gas in the reactor does not interact with the catalyst to form carbon nanotubes. This portion of the carbonaceous gas is then separated and removed from the reactor and sent to a second reactor, optionally along with an additional amount of natural gas or treated or untreated flare gas.

触媒量も反応槽から回収され、そして任意に再生され、そして新たな(すなわち未使用の)触媒量と共に、またはそれ無しに第2反応槽に導入されることができる。 The catalyst mass can also be recovered from the reactor and, optionally, regenerated and introduced into the second reactor with or without a fresh (i.e. unused) catalyst mass.

1つの態様では、触媒は(i)触媒を空気中で酸化し、および/または電気化学的処理により触媒を剥離し(exfoliating)、触媒を塩酸に溶解して塩酸塩を形成し、次いで塩酸塩をシクロペンタジエニドナトリウムと反応させる;および(ii)触媒を少なくとも2000℃に加熱して触媒を揮発させ、次いで揮発した触媒を沈着させることの少なくとも1つにより再生される。 In one embodiment, the catalyst is regenerated by at least one of: (i) oxidizing the catalyst in air and/or exfoliating the catalyst by electrochemical treatment, dissolving the catalyst in hydrochloric acid to form a hydrochloride salt, and then reacting the hydrochloride salt with sodium cyclopentadienide; and (ii) heating the catalyst to at least 2000°C to volatilize the catalyst, and then depositing the volatilized catalyst.

未反応の炭素質ガスを各反応槽から取り、そしてそれを新たな触媒、再生した触媒および/または古い触媒と追加の反応槽で合わせるこのプロセスは、1回または複数回行うことができる。 This process of taking unreacted carbonaceous gas from each reactor and combining it with fresh, regenerated and/or aged catalyst in additional reactors can be carried out one or more times.

1つの特定の態様では、炭素質ガスの分解から形成される水素が分離され、そして貯蔵または転売のために回収されるか、反応槽を加熱するための燃料として使用されるか、および/または別の反応槽へ導入されるいずれかとなる。 In one particular embodiment, the hydrogen formed from the decomposition of the carbonaceous gas is separated and either recovered for storage or resale, used as fuel to heat the reactor, and/or introduced to another reactor.

別の態様では、反応槽で形成されたカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブが1mmから約50mmの範囲、またはより好ましくは約25mmの長さを有する短いカーボンナノチューブファイバーの形態になるように、反応槽から出る前に(i)1もしくは複数の高速ジェットガス、(ii)1もしくは複数の回転インペラ(spinning impeller)、(iii)テクスチャー表面(a textured surface)をわたるガス流、および/または(iv)鈍器の配列(an array of blunt objects)による衝撃に供される。 In another aspect, the carbon nanotubes formed in the reaction vessel are subjected to impact with (i) one or more high velocity jets of gas, (ii) one or more spinning impellers, (iii) a gas stream over a textured surface, and/or (iv) an array of blunt objects prior to exiting the reaction vessel, such that the carbon nanotubes are in the form of short carbon nanotube fibers having lengths ranging from 1 mm to about 50 mm, or more preferably about 25 mm.

典型的には、カーボンナノチューブファイバーの作製法は、できるかぎり層流に近い流れでカーボンナノチューブの凝集を促進して、大変長いファイバーを形成しようとする。カーボンナノチューブをガス流およびカーボンナノチューブの凝集能力の他の中断(例えば回転インペラとの接触または鈍器との衝突)に供することは、短いカーボンナノチューブファイバーに適する分散物、および他の生成物の作製に有用な短いカーボンナノチューブファイバー、の形成を可能にすることが見い出された。 Typically, methods for producing carbon nanotube fibers attempt to promote aggregation of the carbon nanotubes in as close to laminar a flow as possible to form very long fibers. It has been found that subjecting the carbon nanotubes to a gas flow and other disruptions of the carbon nanotubes' aggregation ability (e.g., contact with a rotating impeller or impact with a blunt object) allows for the formation of a dispersion suitable for short carbon nanotube fibers, and short carbon nanotube fibers useful for producing other products.

カーボンナノチューブの製造法は、さらに米国特許第7,993,620号および同第9,061,913号明細書に説明されている方法およびシステムの観点を含んでなることができ、これらは引用により全部、本明細書に記載する。 The method for producing carbon nanotubes may further include aspects of the methods and systems described in U.S. Pat. Nos. 7,993,620 and 9,061,913, which are incorporated herein by reference in their entireties.

特に本方法は図1Aで具体的に説明するシステム10を使用することを含んでなることができ、このシステムは1つの態様では、向かい合う末端111および112を有するハウジング11(すなわち炉)、および末端111と112との間を延びる通路113を有する。中で延びた長さのナノ構造を生成できる管12(すなわち反応槽)は、ハウジング11の通路113内に位置することができる。図1Aで示すように、管12の末端121および122は、ハウジング11の末端111および112からそれぞれ延びるように配置することができる。態様では、ハウジング11は管12内でカーボンナノ構造を成長させるために必要な約1100℃から約1500℃に上がる温度を生じるための加熱要素またはメカニズム(示さず)を含むことができる。加熱要素は、延びた長さのナノ構造の合成中に管12内の温度環境を特定範囲内に維持しなければならないので、具体的に説明はしないが、システム10には管12内の温度環境を監視するための熱電対を管12の外に備えることができる。態様では、例えば約1000℃から約1400℃の管12内の温度範囲の管理は、断熱構造123の使用により至適化することができる。1つの態様では、断熱構造123は例えばジルコニアセラミックファイバー(例えばジルコニア-安定化窒化ホウ素)から作られることができる。もちろん他の断熱材料も使用することができる。 In particular, the method may include using a system 10 as illustrated in FIG. 1A, which in one embodiment includes a housing 11 (i.e., furnace) having opposing ends 111 and 112, and a passageway 113 extending between the ends 111 and 112. A tube 12 (i.e., reactor) in which extended length nanostructures can be produced may be located within the passageway 113 of the housing 11. As illustrated in FIG. 1A, the ends 121 and 122 of the tube 12 may be positioned to extend from the ends 111 and 112 of the housing 11, respectively. In an embodiment, the housing 11 may include a heating element or mechanism (not shown) for generating the temperature required to grow carbon nanostructures within the tube 12, from about 1100° C. to about 1500° C. Because the heating element must maintain the temperature environment within the tube 12 within a specific range during the synthesis of the extended length nanostructures, not specifically illustrated, the system 10 may include a thermocouple outside the tube 12 for monitoring the temperature environment within the tube 12. In an embodiment, management of the temperature range within the tube 12, for example from about 1000° C. to about 1400° C., can be optimized through the use of an insulating structure 123. In one embodiment, the insulating structure 123 can be made, for example, from zirconia ceramic fibers (e.g., zirconia-stabilized boron nitride). Of course, other insulating materials can also be used.

ハウジング11および管12は、温度およびガス-反応性環境での変動に耐えなければならないので、ハウジング11および管12は強く実質的にガス不透過性の実質的に腐食耐性の材料から製造されなければならない。態様では、ハウジング11および管12は、石英材料から作製されることができる。もちろんハウジング11および管12がガスに対して不透過性のままで、しかも非腐食特性を維持できる限り他の材料を使用することができる。また円筒状の形態として具体的に説明しているが、ハウジング11および管12は任意の幾何学的断面で提供されることができる。 Because the housing 11 and tube 12 must withstand variations in temperature and gas-reactive environments, the housing 11 and tube 12 must be manufactured from a strong, substantially gas-impermeable, substantially corrosion-resistant material. In an embodiment, the housing 11 and tube 12 can be made from a quartz material. Of course, other materials can be used so long as the housing 11 and tube 12 remain impermeable to gases and maintain their non-corrosive properties. Also, although specifically described as being cylindrical in shape, the housing 11 and tube 12 can be provided in any geometric cross-section.

またシステム10は、管12内から生成されるナノ構造を回収するために、管12の末端122と流路でつながる回収ユニット13を含むことができる。管12の反対121で、システム10は管12と流路でつながるインジェクター装置14(すなわち噴霧器)を含む。態様では、インジェクター14は管12内でナノ構造の成長に必要な成分の流体混合物をリザーバー15から受けるように設計されることができる。またインジェクター14は、ナノ構造の生成および成長のために混合物を管12に向ける前に、混合物を揮発または流動化(すなわち小液滴の生成)するように設計されることができる。 The system 10 can also include a collection unit 13 in fluid communication with the end 122 of the tube 12 for collecting nanostructures generated from within the tube 12. At the opposite end 121 of the tube 12, the system 10 includes an injector device 14 (i.e., a sprayer) in fluid communication with the tube 12. In an embodiment, the injector 14 can be designed to receive a fluid mixture of components necessary for the growth of nanostructures within the tube 12 from a reservoir 15. The injector 14 can also be designed to volatilize or fluidize the mixture (i.e., generate small droplets) before directing the mixture into the tube 12 for the generation and growth of nanostructures.

1つの態様では、流体混合物はとりわけ(a)続いてそれらの上でのナノ構造の成長のための触媒粒子が生成され得る触媒前駆体(すなわち触媒)、(b)触媒前駆体から生成される触媒粒子のサイズ分布、そしてすなわちナノ構造の直径を制御するためのコンディショナー(conditioner)化合物、および(c)ナノ構造を成長させるために触媒粒子上に沈着する炭素原子のための炭素質源(例えば(i)処理済または未処理フレアガス、(ii)メタン、エタン、ブタン、および/またはプロパン、(iii)天然ガスおよび/または(iv)キシレン、トルエンおよびベンゼンのような他の炭化水素を含む)を含むことができる。 In one embodiment, the fluid mixture can include, among other things, (a) a catalyst precursor (i.e., catalyst) on which catalyst particles can subsequently be generated for growth of nanostructures, (b) a conditioner compound for controlling the size distribution of the catalyst particles generated from the catalyst precursor, and thus the diameter of the nanostructures, and (c) a carbonaceous source (including, for example, (i) treated or untreated flare gas, (ii) methane, ethane, butane, and/or propane, (iii) natural gas, and/or (iv) other hydrocarbons such as xylene, toluene, and benzene) for carbon atoms to be deposited on the catalyst particles to grow the nanostructures.

触媒粒子が生成し得る触媒前駆体の例には、フェロセン、鉄、鉄合金、ニッケルまたはコバルト、それらの酸化物、またはそれらの合金(または他の金属またはセラミックスとの化合物)のような材料を含むことができる。あるいは触媒粒子は、Fe3O4,Fe2O4,またはFeOのような金属酸化物、またはコバルトまたはニッケルのような類似酸化物、またはそれらの組み合わせから作成され得る。 Examples of catalyst precursors from which catalyst particles can be produced can include materials such as ferrocene, iron, iron alloys, nickel or cobalt, their oxides, or their alloys (or compounds with other metals or ceramics). Alternatively, catalyst particles can be made from metal oxides such as Fe3O4, Fe2O4, or FeO, or similar oxides such as cobalt or nickel, or combinations thereof.

本発明の流体混合物との関連で使用するコンディショナー化合物の例には、チオフェン(Thiophene),H2S、他の硫黄含有化合物、またはそれらの組み合わせを含む。 Examples of conditioner compounds for use in conjunction with the fluid mixtures of the present invention include thiophene, H2S, other sulfur-containing compounds, or combinations thereof.

本開示の流体混合物との関連で使用する炭素質源の例には、限定するわけではないが、処理済または未処理フレアガス、エタノール、ギ酸メチル、プロパノール、酢酸、ヘキサン、メタノール、またはメタノールとエタノールとのブレンドを含む。C2H2,CH3およびCH4を含む他の液体炭素質源も使用することができる。 Examples of carbonaceous sources for use in conjunction with the fluid mixtures of the present disclosure include, but are not limited to, treated or untreated flare gas, ethanol, methyl formate, propanol, acetic acid, hexane, methanol, or blends of methanol and ethanol. Other liquid carbonaceous sources may also be used, including C2H2, CH3, and CH4.

ここで今、図1Bを見ると、インジェクター14の詳細な説明が示されている。1つの態様では、インジェクター14は実質的に管状のチャンバー141を含み、通路142を規定し、これに沿って揮発した流体混合物が生成され、そして反応槽管12に向けられる。混合物を揮発させるか、または流動化するために、インジェクター14はリザーバー15から導入されている流体混合物から小液滴を生成するために、ベンチュリ―効果を与えるように設計された噴霧管16を含むことができる。1つの態様では、流体混合物の揮発化または流動化は流体が噴霧管16の遠位末端161を出る時に実質的に起こると考えるべきである。態様では、生成されている液滴はナノスケールのサイズからマイクロスケールのサイズの範囲となり得る。1つの態様では、揮発した流体混合物を噴霧管16に沿って反応槽管12に向けるために、H2、Heまたは任意の他の不活性ガスのようなガスの体積が、揮発した流体を反応槽管12に向けて押すために使用される。 1B, a detailed description of the injector 14 is shown. In one embodiment, the injector 14 includes a substantially tubular chamber 141 and defines a passageway 142 along which the volatilized fluid mixture is generated and directed to the reactor tube 12. To volatilize or fluidize the mixture, the injector 14 can include a spray tube 16 designed to provide a Venturi effect to generate small droplets from the fluid mixture being introduced from the reservoir 15. In one embodiment, it should be considered that the volatilization or fluidization of the fluid mixture occurs substantially as the fluid exits the distal end 161 of the spray tube 16. In embodiments, the droplets being generated can range from nanoscale sizes to microscale sizes. In one embodiment, to direct the volatilized fluid mixture along the spray tube 16 to the reactor tube 12, a volume of gas, such as H2, He, or any other inert gas, is used to push the volatilized fluid toward the reactor tube 12.

インジェクター14は実質的に管状と説明されているが、インジェクターが噴霧管16を収納でき、そして通路に沿って揮発した流体混合物を反応槽管12に向けることができる通路を提供できる限り、任意の幾何学的設計で提供されると理解すべきである。 Although the injector 14 is described as being substantially tubular, it should be understood that the injector may be provided in any geometric design so long as it is capable of receiving the atomizing tube 16 and providing a passageway along which the volatilized fluid mixture can be directed into the reactor tube 12.

加えて、本開示のインジェクター14は流体混合物の個々の成分を流体混合物の一部として提供するよりもむしろそれらを個別にインジェクター14へ導入することを可能にすることに注目すべきである。そのような態様では、各成分が管16に類似する噴霧管を通して個別に揮発され、そしてインジェクター14に導入され、ここでそれらは混合され、そして引き続き前記に類似した様式でインジェクター14に沿って方向付けられる。 In addition, it should be noted that the injector 14 of the present disclosure allows for the individual components of the fluid mixture to be introduced into the injector 14 individually, rather than providing them as part of the fluid mixture. In such an embodiment, each component is vaporized individually through an atomizing tube similar to tube 16 and introduced into the injector 14, where they are mixed and subsequently directed along the injector 14 in a manner similar to that described above.

インジェクター14は反応槽管12および炉11内に位置するので、管12および炉11内で生成している熱は、インジェクター14内の温度環境に負の効果を有する恐れがある。反応槽管12および炉11内の熱からインジェクター14を遮断するために、断熱パッケージ17をインジェクター14の周りに提供することができる。特に、断熱パッケージ17はインジェクター14の長さに沿って温度環境を保護するように作用できる。 Because the injector 14 is located within the reactor tube 12 and furnace 11, heat being generated within the tube 12 and furnace 11 may have a negative effect on the temperature environment within the injector 14. To insulate the injector 14 from the heat within the reactor tube 12 and furnace 11, a thermal insulation package 17 may be provided around the injector 14. In particular, the thermal insulation package 17 may act to protect the temperature environment along the length of the injector 14.

断熱パッケージ17の存在で、インジェクター14内の温度環境はナノ構造が成長するために必要な様々な反応に影響を及ぼすことができる範囲に下げることができる。このために、インジェクター14はまた触媒前駆体から触媒粒子の形成を可能にする十分な温度範囲を提供するために、噴霧管16から下流に位置する加熱ゾーンAを含むことができる。1つの態様では、加熱ゾーンAは噴霧管16の遠位末端161の下流に位置する第1ヒーター18を含む。ヒーター18は、例えば触媒前駆体をその構成原子に分解するために必要なTp1での温度範囲を維持するために提供でき、この原子はその後、触媒粒子のクラスターとなり、続いてこの上でナノ構造が成長する。触媒前駆体を分解するために必要なレベルにTp1での温度範囲を維持するために、1つの態様では、ヒーター18はTp1よりわずかに下流に位置することができる。フェロセンが前駆体として使用される態様では、その構成原子(すなわち鉄粒子)はそのサイズが実質的にナノスケールであるが、Tp1での温度が約200℃から約300℃の範囲に維持できる時に生成され得る。 With the presence of the thermal insulation package 17, the temperature environment within the injector 14 can be reduced to a range capable of influencing the various reactions required for nanostructure growth. To this end, the injector 14 can also include a heating zone A located downstream from the spray tube 16 to provide a sufficient temperature range to allow the formation of catalyst particles from the catalyst precursor. In one embodiment, the heating zone A includes a first heater 18 located downstream of the distal end 161 of the spray tube 16. The heater 18 can be provided, for example, to maintain a temperature range at Tp1 required to decompose the catalyst precursor into its constituent atoms, which then become clusters of catalyst particles on which the nanostructures are subsequently grown. In one embodiment, the heater 18 can be located slightly downstream from Tp1 to maintain the temperature range at Tp1 at a level required to decompose the catalyst precursor. In an embodiment in which ferrocene is used as the precursor, the constituent atoms (i.e., iron particles) are substantially nanoscale in size, but can be generated when the temperature at Tp1 can be maintained in the range of about 200°C to about 300°C.

加熱ゾーンAは、炉11内の第1ヒーター18の下流に配置される第2ヒーター19をさらに含むことができる。ヒーター19は例えばTp2で、コンディショナー化合物をその構成原子に分解するために必要な温度範囲に維持するために提供されることができる。これらの原子は触媒粒子のクラスターの存在で、クラスターと相互作用して触媒粒子のサイズ分布、つまり生成しているナノ構造の直径を制御することができる。チオフェンがコンディショニング化合物として使用される態様では、触媒粒子のクラスターと相互作用してチオフェンの分解で硫黄が放出され得る。態様ではヒーター19はTp2での温度範囲を約700℃から約950℃に維持し、そしてそのような範囲をヒーター19のわずかに下流の場所で維持するように設計することができる。 Heating zone A may further include a second heater 19 disposed downstream of first heater 18 within furnace 11. Heater 19 may be provided to maintain, for example, at Tp2, a temperature range required to decompose the conditioning compound into its constituent atoms. These atoms may be present in clusters of catalyst particles and interact with the clusters to control the size distribution of the catalyst particles, and thus the diameter of the resulting nanostructures. In embodiments where thiophene is used as the conditioning compound, sulfur may be released upon decomposition of thiophene by interacting with the clusters of catalyst particles. In embodiments, heater 19 may be designed to maintain a temperature range at Tp2 of about 700° C. to about 950° C., and to maintain such range at a location slightly downstream of heater 19.

本発明の1つの態様によれば、Tp2はTp1から所望の距離に配置することができる。様々なパラメータが役割を果たすことになるので、Tp1からTp2への距離は、触媒前駆体の分解が起こるTp1からTp2への流体混合物の流れが、触媒粒子のサイズ分布を至適化するためにコンディショニング化合物の分解量を至適化できるような距離にするべきである。 According to one aspect of the invention, Tp2 can be placed at a desired distance from Tp1. Various parameters play a role, and the distance from Tp1 to Tp2 should be such that the flow of the fluid mixture from Tp1 to Tp2, where decomposition of the catalyst precursor occurs, optimizes the amount of decomposition of the conditioning compound to optimize the size distribution of the catalyst particles.

インジェクター14内の第1ヒーター18および第2ヒーター19により生じる特定の温度ゾーンに加えて、噴霧管16の遠位末端161での温度も、揮発した流体混合物の凝縮、または流体混合物が噴霧管16の遠位末端161を通って出る時のその不均一な流れのいずれかを回避するために、インジェクター14内で特定範囲内に維持できる必要があると考えるべきである。ある態様では、遠位末端161での温度は約100℃から約250℃の間に維持する必要があるかもしれない。例えば温度が示した範囲より低い場合、流体混合物の凝縮がインジェクター16の壁面に沿って生じる恐れがある。結果としてインジェクター16から反応槽管12へ向けられる流体混合物は、リザーバー15から導入された混合物とは実質的に異なる可能性がある。例えば温度が示した範囲より高い場合、遠位末端161で流体混合物の沸騰が起こる可能性があり、流体のインジェクター14へのスパッタリングおよび不均一流を生じる。 In addition to the specific temperature zones created by the first heater 18 and the second heater 19 within the injector 14, it should be appreciated that the temperature at the distal end 161 of the spray tube 16 must also be maintained within a specific range within the injector 14 to avoid either condensation of the vaporized fluid mixture or uneven flow of the fluid mixture as it exits through the distal end 161 of the spray tube 16. In some embodiments, the temperature at the distal end 161 may need to be maintained between about 100° C. and about 250° C. For example, if the temperature is lower than the indicated range, condensation of the fluid mixture may occur along the walls of the injector 16. As a result, the fluid mixture directed from the injector 16 to the reactor tube 12 may be substantially different than the mixture introduced from the reservoir 15. For example, if the temperature is higher than the indicated range, boiling of the fluid mixture at the distal end 161 may occur, resulting in sputtering and uneven flow of the fluid into the injector 14.

噴霧管16の遠位末端161での凝縮を最少にし、Tp1で触媒前駆体の分解を可能にするために必要な温度を維持し、またはTp2でコンディショニング化合物の分解を可能にするにしても、インジェクター14はその長さに沿って温度勾配を維持する必要がかもしれないので、反応槽管12および炉11からの熱を遮断することに加えて、断熱パッケージ17は各重要な場所でインジェクター14に沿って所望する温度勾配を維持するように作動できる。1つの態様では、断熱パッケージ17は石英または類似の材料から、あるいはジルコニアセラミックファイバー(例えばジルコニア安定化窒化ホウ素)のような孔質セラミック材料から作製することができる。もちろん他の断熱材料も使用できる。 Because the injector 14 may need to maintain a temperature gradient along its length, whether to minimize condensation at the distal end 161 of the spray tube 16, maintain the temperature necessary to allow decomposition of the catalyst precursor at Tp1, or to allow decomposition of the conditioning compound at Tp2, the insulation package 17, in addition to insulating from the reactor tube 12 and furnace 11, can operate to maintain a desired temperature gradient along the injector 14 at each critical location. In one embodiment, the insulation package 17 can be made from quartz or a similar material, or from a porous ceramic material such as zirconia ceramic fiber (e.g., zirconia stabilized boron nitride). Of course, other insulation materials can be used.

1つの態様では、システム10は遠位末端161を出る流体混合物が第2のシステムのインジェクターに導入できるように設計される。 In one embodiment, the system 10 is designed so that the fluid mixture exiting the distal end 161 can be introduced into an injector of a second system.

システム10はさらに、ガス流または他の手段のいずれかが形成後のカーボンナノチューブを破壊して有意な凝集を防止し、これにより短いカーボンナノチューブファイバーを生じるように設計される。 The system 10 is further designed so that either the gas flow or other means breaks down the carbon nanotubes after formation to prevent significant agglomeration, thereby resulting in short carbon nanotube fibers.

本発明の様々な態様の作成および使用を前記に詳細に説明してきたが、本発明は広い範囲の具体的内容に具現化できる多くの応用可能な発明の概念を提供すると考えるべきである。本明細書で検討する具体的態様は、本発明の作製および使用の具体的方法を単に説明するものであり、本発明の範囲を制限しない。 Although the making and use of various embodiments of the present invention have been described in detail above, it should be understood that the present invention provides many applicable inventive concepts that can be embodied in a wide range of specific embodiments. The specific embodiments discussed herein are merely illustrative of specific ways to make and use the invention and do not limit the scope of the invention.

Claims (11)

カーボンナノチューブの製造法であって:
(i)炭素質ガスを含んでなるフレアガスを得;
(ii)フレアガスを、過剰な硫化水素の少なくとも一部をフレアガスから除去するための1もしくは複数のプロセスに供することによって、フレアガスを処理し;
(iii)フレアガス、触媒および水素の混合物を反応槽に導入し、ここで反応槽は触媒の存在下で炭素質ガスを炭素質ガスの構成原子に分解するために十分な温度であり、そしてここで構成原子は炭素原子および水素原子を含んでなり;
(iv)炭素質ガスの炭素原子を触媒と相互作用させてカーボンナノチューブを生成し;そして
(v)カーボンナノチューブを回収する
ことを含んでなる前記方法。
1. A method for producing carbon nanotubes comprising:
(i) obtaining a flare gas comprising a carbonaceous gas;
(ii) treating the flare gas by subjecting the flare gas to one or more processes for removing at least a portion of the excess hydrogen sulfide from the flare gas;
(iii) introducing a mixture of the flare gas, catalyst and hydrogen into a reactor, wherein the reactor is at a temperature sufficient to decompose the carbonaceous gas in the presence of the catalyst into constituent atoms of the carbonaceous gas, wherein the constituent atoms comprise carbon and hydrogen atoms;
(iv) interacting carbon atoms of the carbonaceous gas with a catalyst to produce carbon nanotubes; and (v) recovering the carbon nanotubes.
フレアガスが石油またはガス製造現場、製油所、化学プラント、石炭プラントまたは埋め立て地から得られる、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the flare gas is obtained from an oil or gas production site, a refinery, a chemical plant, a coal plant, or a landfill. フレアガスを処理する工程が、さらに、フレアガスを、過剰な二酸化炭素および/または一酸化炭素の少なくとも一部をフレアガスから除去するための1もしくは複数のプロセスに供することを含んでなる、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the step of treating the flare gas further comprises subjecting the flare gas to one or more processes for removing at least a portion of the excess carbon dioxide and/or carbon monoxide from the flare gas. フレアガスを処理する工程が、(i)フレアガス中の過剰な硫化水素の少なくとも一部を硫黄に電気化学的に還元し、その後それを除去すること、および(ii)フレアガス中の過剰な二硫化水素の少なくとも一部を硫酸に酸化し、そして除去することの、少なくとも1つを含んでなる、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the step of treating the flare gas comprises at least one of: (i) electrochemically reducing at least a portion of the excess hydrogen sulfide in the flare gas to sulfur and then removing it; and (ii) oxidizing at least a portion of the excess hydrogen disulfide in the flare gas to sulfuric acid and then removing it. フレアガス中の過剰な一酸化炭素および/または二酸化炭素の少なくとも一部が、フレアガスから除かれる、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein at least a portion of the excess carbon monoxide and/or carbon dioxide in the flare gas is removed from the flare gas. 触媒がフェロセンである、請求項1に記載の方法。 The method of claim 1, wherein the catalyst is ferrocene. カーボンナノチューブを形成するための触媒と相互作用しなかった炭素質ガスを含む混合物の一部が第2反応槽へ送られる、請求項1に記載の方法。 10. The method of claim 1, wherein a portion of the mixture comprising the carbonaceous gas that did not interact with the catalyst to form carbon nanotubes is passed to a second reactor. 触媒量が混合物から回収され、そして次に再生され第2反応槽へ導入されるか、または後に使用するために貯蔵される、請求項7に記載の方法。 8. The process of claim 7, wherein a catalyst amount is recovered from the mixture and then regenerated and introduced into the second reactor or stored for later use. 触媒が、(i)触媒を空気中で酸化しおよび/または電気化学的処理により触媒を剥離し、触媒を塩酸に溶解して、塩酸塩を形成し、次いで塩酸塩をシクロペンタジエニドナトリウムと反応させる;および(ii)触媒を少なくとも2000℃に加熱して触媒を揮発させ、次いで揮発した触媒を沈着させること、の少なくとも1つにより再生される、請求項8に記載の方法。 The method of claim 8, wherein the catalyst is regenerated by at least one of: (i) oxidizing the catalyst in air and/or electrochemically stripping the catalyst, dissolving the catalyst in hydrochloric acid to form a hydrochloride salt, and then reacting the hydrochloride salt with sodium cyclopentadienide; and (ii) heating the catalyst to at least 2000°C to volatilize the catalyst, and then depositing the volatilized catalyst. 工程(iii)の反応槽に導入される水素が、別の反応槽の工程(iii)における炭素質ガスの分解から形成される水素である、請求項1に記載の方法。 2. The process of claim 1, wherein the hydrogen introduced into the reactor in step (iii) is hydrogen formed from decomposition of a carbonaceous gas in step (iii) in a separate reactor. 工程(v)で回収されるカーボンナノチューブが1mmから約50mmの範囲の長さを有する短いカーボンナノチューブファイバーの形態になるように、反応槽から出る前に反応槽内で形成されるカーボンナノチューブが、(i)1もしくは複数の高速ジェットガス、(ii)1もしくは複数の回転インペラ、(iii)テクスチャー表面をわたるガス流、および/または(iv)鈍器の配列による衝撃に供される、請求項1に記載の方法。
2. The method of claim 1, wherein the carbon nanotubes formed in the reaction vessel prior to exiting the reaction vessel are subjected to impact with (i) one or more high velocity jets of gas, (ii) one or more rotating impellers, (iii) a gas flow across a textured surface, and/or (iv) an array of blunt objects, such that the carbon nanotubes recovered in step (v) are in the form of short carbon nanotube fibers having lengths in the range of 1 mm to about 50 mm.
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